水文地质学基础 孔隙 1.3.1岩石的空隙-孔隙.docx

1.3 地下水的赋存条件及特征 1.3.1 岩石的空隙性 地壳表层10km范围内，或多或少都存在着空隙，特别是浅部1~2km以内，空隙分布较为普遍。这就为地下水的赋存提供了必要的空间条件。按维尔纳茨基的形象说法，“地球表层就好像饱含着水的海绵”。 岩石空隙既是地下水的储存场所，又是地下水的运动通道。岩石空隙的大小、多少、连通程度及分布状况等性质，统称为岩石的空隙性（图1-7）。而正是这岩石的空隙性，决定着地下水的分布和运动特点，因而研究岩石的空隙性就成为研究地下水形成及其运动的基础。而空隙岩层又被称为介质。 图1-7 岩土的空隙 1—分选良好，排列疏松的砂；2—分选良好，排列紧密的砂；3—分选不良的，含泥砂的砾石；4—经过部分胶结的砂岩；5—具有结构性孔隙的粘土；6—经过压缩的粘土； 7—发育裂隙的基岩；8—具有溶隙及溶穴的可溶岩 岩石空隙的差异，取决于空隙的成因。根据岩石空隙成因和空间形态的不同，空隙可以分为三类：松散岩石中的孔隙，坚硬岩石中的裂隙，可溶岩石中的溶穴。 1.3.1.1 孔隙 松散（半松散）岩石是由大小不等的颗粒组成的。颗粒或颗粒集合体之间的空隙称为孔隙。 孔隙的多少，决定了岩石储容水的能力，在一定条件下还影响向着岩石保持、释出和传输水的能力。岩石孔隙的多少用孔隙度（孔隙率）表示。孔隙度（n）是单位体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙所占的比例。n表示孔隙度，V表示包括孔隙在内的岩土体积，Vn表示岩石中孔隙体积，则： （1-10） 孔隙度是个比值，通常用百分比表示，也可用小数表示。 粗粒土（砂、砾）孔隙度的大小，孔隙度大小主要取决于颗粒排列情况及分选程度；另外，颗粒形状及胶结情况也影响孔隙度。对于粘性土，结构及次生孔隙常是影响孔隙度的重要因素。 1. 排列方式 ba b a 图1-8 颗粒的排列形式 a —立方体排列；b—四面体排列 为了说明颗粒排列方式对粗粒土孔隙度的影响，可以假设一种理想的情况，即颗粒均为大小相等的圆球。当其为立方体排列时（图1-8，a），可算得孔隙度为47.64%；作四面体排列进，孔隙度仅为25.95%（图 1-8,b）。颗粒受力排列发生变化时，可使其密集程度不同。由几何学可知，六方体排列为最松散排列，四面体排列为最紧密排列，而自然界中松散岩石的孔隙度与此大体相近，或介于两者之间（表1-3）。 表1-3 松散岩石孔隙度参考数值（据弗里泽等，1987） 岩石名称 砾石 砂 粉砂 粘土 孔隙度变化区间 25%-40% 25%-50% 35%-50% 40%-70% 应当注意的是，上述讨论并未涉及圆球的大小，因为孔隙度的大小与颗粒大小无关（图1-9）。 图1-9 不同粒度等粒岩石的孔隙度与孔隙大小 （转引自 A.H.CeMHXaTOB） 2. 分选程度 自然界并不存在完全等粒的松散岩石。分选性愈差，颗粒大小愈不相等，孔隙度便愈小。这是因为细小颗粒充填于粗大颗粒之间的孔隙中，自然会大大降低孔隙度（图1-7，3）。我们可以假设一种极端的情况：如果一种等粒砾石孔隙度n1=40%，另一种等粒的极细砂的孔隙度n2=40%，而极细砂完全充填与砾石空隙中，则此混合砂砾石的孔隙度n3=n1×n2=16%。 3. 颗粒形状 自然界中岩石的颗粒形状也多是不规则的。组成岩石的颗粒形状越是不规则，棱角越明显，孔隙度就越大，因为这时突出部分相互接触，会使颗粒架空。 4. 胶结充填 松散沉积物受到不同程度的胶结，由于胶结物的充填，孔隙度有所降低（图1-7,4）。 5. 粘性土 粘土的孔隙度往往可以超过上述最大孔隙度值。因为粘土颗粒表面常带电荷，在沉积过程中粘土颗粒聚合而形成颗粒集合体，可形成直径比颗粒还大的结构孔隙（图1-7，5、6）。此外，粘性土中往往还发育有虫孔、根孔、干裂缝等次生孔隙，有时也有胶结物。 孔隙大小对地下水的运动影响极大，孔隙通道最细小的部分称作孔喉，最宽大部分称作孔腹（图1-10）；孔喉对地下水流动的影响更大，讨论孔隙大小时可以用孔喉直接进行比较。 图1-10 图1-10 孔喉（D’）与孔腹(d) 通过孔隙通道中心切面图 图1-11 排列方式与孔隙大小关系 a—立方体排列；b—四面体排列 影响孔隙大小的主要因素是颗粒大小。颗粒大则孔隙大，颗粒小则孔隙小。需要注意的是，对分选不好，颗粒大小悬殊的松散沉积物来说，孔隙大小并不取决于颗粒的平均直径，而主要取决于细小颗粒的直径。原因是，细小颗粒把粗大颗粒的孔隙充填了（图1—7（3））。 颗粒排列方式也影响孔隙大小。仍以理性等粒圆球状颗粒为例，设颗粒直径为D，孔喉直径为d，则做四方体排列时，d=0.414D（图1-11，a）；作四面体排列时，d=0.155D（图1-11b，）。 除此以外，孔隙大小还与颗粒形状以及胶结程度有关。 对于粘性土，决定